EP0044021A1 - Aus MIS-Feldeffekttransistoren bestehender elektrischer Widerstand für integrierte Halbleiterschaltungen - Google Patents
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- H01L29/78—Field effect transistors with field effect produced by an insulated gate
Definitions
- the invention relates to an at least two monoli - thisch combined MIS field effect transistors existing electrical resistance for semiconductor integrated circuits, in which the resistor-forming field effect transistors fabricated simultaneously and in terms of their source-drain paths are connected in series and in which, finally, the gates of the resistor forming field effect transistors are connected either to the source or to the drain of the relevant field effect transistor.
- the task of the transistor chain known from DE-AS 24 35 606 is, in addition to a solution to the problem dealt with there, to achieve an increase in the linear operating range compared to a resistance - given only by a MOS field-effect transistor connected in the usual manner as a load resistor - another To solve the task of achieving independence of the resistance value from the current direction.
- the present invention is intended to remedy this.
- the MIS field effect transistors forming the resistor differ from one another with regard to the ratio of their channel width to their channel length.
- the invention can be implemented both with transistors of the depletion type and with transistors of the enhancement type. However, when realizing a resistor according to the invention, it will be expedient to use only MIS field-effect transistors that match the type.
- the field effect transistors of the transistor chain forming the resistor which are created by identical manufacturing processes, differ from one another only in relation to their channel length L and their channel width W. . distinguish from each other.
- no different manufacturing steps are required, but only a corresponding configuration of the area of the masks respectively required for the overall circuit in the individual method steps for the respective MIS field effect transistor.
- the further object of the invention is now that the resistance chain e.g. 2 or 3 forming resistors with respect to the values of their ratio W / L so that the independence of the resistance value from the current direction is guaranteed even for a longer transistor chain.
- the solution to this problem is discussed after considering Figures 1 to 4.
- MOS resistors are often required for analog circuits in which the greatest possible independence of the resistance value from the voltage acting on the resistor is sought. This applies e.g. for the output stage of a monolithically integrated audio frequency divider, e.g. can use for electronic organs. The points essential for this are explained with reference to FIG. 1.
- the output A of the audio frequency divider is simultaneously acted upon by a decoupling resistor R1 or R2 or R3 etc., each set to a specific value, by an electrical oscillation each representing one of the required audio frequencies. It should f1 / 2, the resistor R1 assigned frequency, f 2/2, the resistor R2 allocated frequency, etc. so that in general the resistance R ⁇ the frequency fy / assigned. 2
- the frequency dividers FTy are acted upon by an oscillator at their inputs f v and are designed such that they deliver the respectively desired frequency f r / 2 to the respectively assigned impedance converter IWy, which then passes them on to the respectively assigned MOS resistor Rv.
- the outputs of the MOS resistors R y provided are together at output A.
- the signal amplitude at output A should be kept small by external circuit measures.
- the decoupling resistors Ry realized as MOS resistors should not change as a function of the H / L voltages provided by the respectively assigned impedance converter IW v .
- a change in the resistance value of the decoupling resistors is in principle due to the known substrate effect and is not easily avoidable by the usual means. It is therefore the object of the invention to compensate for the influence of the substrate effect on the resistance value of a monolithically integrated resistor consisting of MOS field-effect transistors (or more generally MIS field-effect transistors). This also solves the problem that the resistance value is independent of the polarity of the voltage acting on the resistor.
- all transistors are designed either as enhancement type transistors or all transistors as depletion type transistors.
- MOS field-effect transistors forming the resistor according to the invention can also be connected in the manner shown in FIG. 3.
- two successive transistors T 1 , T2 or T 3 , T 4 or T 5 , T 6 are combined in such a way that their gate electrodes are connected to one another and also to the connected current-carrying connections of the two adjacent transistors are placed so that in one direction of the current flowing through the resistor and in the other direction of this current each half of the number of transistors provided with their source connection and the other half with their drain connection to the associated gate is laid.
- the individual transistors must be matched to one another with regard to their W / L values in such a way that when this resistor R is used in a circuit according to Fig. 4 following condition is satisfied.
- One connection of the resistor R is connected to a fixed potential U M , while the other connection can be connected alternately to a potential U1 and a potential U 2 via a switch S.
- the potential U 1 can, for . B. by the potential U SS , the potential U 2 by the Operating potential U DD of the integrated MOS semiconductor circuit containing the MOS resistor (or vice versa).
- the threshold voltage U T depends on the operating direction, since it also includes the substrate effect. It is therefore individually assigned to each of the transistors t i and must be determined on a case by case basis.
- U T (t 1 ; 1) means the threshold voltage of the first transistor t 1 in the first mode
- U T (t 1 ; 2) means the threshold voltage of the first transistor t 1 in the second mode.
- U DS can be determined from the two equations (4) and (5) for the case that and the two threshold voltages are known.
- the two threshold voltages U T (t 1 ; 1) and U T (t 1 ; 2) can be calculated as a function of the substrate control voltage.
- ⁇ MS means the work function
- Q S the charge density at the boundary between the semiconductor and the gate insulation
- ⁇ F the Fermi level
- ⁇ H the product of the relative DK of the semiconductor with the DK of the vacuum
- q the elementary charge
- N the doping concentration in Substrate
- U B the substrate control voltage between the substrate and source of the transistor in question.
- the size is C o given by the product divided by the thickness of the gate insulation from the (relative) DK of the gate insulation with the DK of the vacuum.
- the first transistor t 1 With reference to the first operating mode, the first transistor t 1 according to (4) or abbreviated
- the respectively associated values W i / L i are staggered, so that when the transistor chain is used as a resistor R in the circuit according to FIG. 4, the current in the one position of the switch S becomes equal to the current in the other position of the switch S.
- the voltage U 1 - UM or UM - U 2 to be applied to the two ends of the chain is the sum of all voltages U SD (t i ), that is to say according to n where n is the number of transistors t i provided.
- the predetermined current J D J D determines the W ratios.
- Resistors R which each consist of a transistor chain according to FIG. 2 or FIG. 3, are excellently suitable for use in the circuit shown in FIG. 1 as soon as the (W / L) ratios of the transistors which follow one another in the chain are staggered in this way are that the effect of the substrate effect on the behavior of these resistors is compensated for in the manner described.
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Abstract
Description
- Die Erfindung betrifft einen aus mindestens zwei monoli- thisch zusammengefaßten MIS-Feldeffekttransistoren bestehenden elektrischen Widerstand für integrierte Halbleiterschaltungen, bei dem die den Widerstand bildenden Feldeffekttransistoren gleichzeitig hergestellt und bezüglich ihrer Source-Drain-Strecken hintereinander geschaltet sind und bei dem schließlich die Gates der den Widerstand bildenden Feldeffekttransistoren entweder mit der Source oder mit dem Drain des betreffenden Feldeffekttransistors verbunden sind.
- In der DE-AS 24 35 606 (=VPA 74/1123) ist eine aus zwei gleichen MOS-Feldeffekttransistoren vom Verarmungstyp bestehende monolithische Schaltungskombination beschrieben, die dieser Definition genügtund bei der jeweils benachbarte Transistoren paarweise zusammengefaßt sind, indem die Gate-Elektroden der beiden Transistoren an einen gemeinsamen Schaltungspunkt zwischen dem Drain des einen Transistors und der Source des anderen Transistors gelegt sind. Aufgabe der aus der DE-AS 24 35 606 bekannten Transistorkette ist, neben einer Lösung der dort behandelte Aufgabe der Erzielung einer Vergrößerung des linearen Betriebsbereiches im Vergleich zu einem - lediglich durch einen in üblicher Weise als Lastwiderstand geschalteten MOS-Feldeffekttransistor gegebenen - Widerstand noch eine Lösung der Aufgabe zu geben, eine Unabhängigkeit des Widerstandswertes von der Stromrichtung zu erreichen.
- Die in der DE-AS 24 35 606 angegebene Lösung der Aufgabe, eine Unabhängigkeit des Widerstandswertes der den betreffenden Widerstand bildenden Kombination hintereinander geschalteter MOS-Feldeffekttransistoren zu erreichen, genügt erfahrungsgemäß nicht in allen Fällen. Dies ist vor allem dann der Fall, wenn der Substrateffekt auf das Verhalten der beteiligten Feldeffekttransistoren von wesentlichem Einfluß ist und der Widerstand mehr als nur zwei hintereinander geschaltete MOS-Feldeffekttransistoren zur Realisierung des für den betreffenden Fall benötigten Widerstandswertes verlangt.
- Hier soll nun die vorliegende Erfindung eine Abhilfe bringen.
- Gemäß der Erfindung ist deshalb vorgesehen, daß'sich die den Widerstand bildenden MIS-Feldeffekttransistoren bezüglich des Verhältnisses ihrer Kanalweite zu ihrer Kanallänge voneinander unterscheiden.
- Die Erfindung läßt sich sowohl mit Transistoren vom Verarmungstyp als auch mit Transistoren vom Anreicherungstyp realisieren. Jedoch wird man bei der Realisierung eines Widerstandes gemäß der Erfindung zweckmäßig nur bezüglich ihres Typs übereinstimmende MIS-Feldeffekttransistoren verwenden.
- Damit ist erreicht, daß die durch identische Fertigungsprozesse entstandenen Feldeffekttransistoren der den Widerstand bildenden Transistorkette sich lediglich inbezug auf ihre Kanallänge L und ihre Kanalweite W von. .einander unterscheiden. Um aber die lateralen Abmessungen desstromführenden Kanals der einzelnen Transistoren im Sinne der Erfindung zu beeinflussen, bedarf es deshalb keiner unterschiedlichen Fertigungsschritte sondern lediglich eine entsprechende Ausgestaltung des dem betreffenden MIS-Feldeffekttransistor jeweils zugeordneten Bereiches der bei den einzelnen Verfahrensschritten für die Gesamtschaltung jeweils benötigten Masken.
- Die weitere Aufgabe der Erfindung ist es nun, die die Widerstandskette z.B. gemäß Fig. 2 oder gemäß Fig. 3 bildendazWiderstände bezüglich der Werte ihres Verhältnisses W/L derart aufeinander abzustimmen, daß die Unabhängigkeit des Widerstandswertes von der Stromrichtung auch für eine längere Transistorkette gewährleistet ist. Auf die Lösung dieser Aufgabe wird im Anschluß an die Betrachtung der Figuren 1 bis 4 eingegangen.
- Vielfach benötigt man MOS-Widerstände für Analogschaltungen, bei denen eine möglichst große Unabhängigkeit des Widerstandswertes von der den Widerstand beaufschlagenden Spannung angestrebt ist. Dies gilt z.B. für die Ausgangsstufe eines monolithisch integrierten Tonfrequenzteilers, wie man ihn z.B. für elektronische Orgeln einsetzen kann. Die hierfür wesentlichen Punkte werden anhand von Fig. 1 erläutert.
- Der Ausgang A des Tonfrequenzteilers wird über je einen auf je einen speziellen Wert eingestellten Entkoppelwiderstand R1 bzw. R2 bzw. R3 usw. durch je eine je eine der benötigten Tonfrequenzen darstellende elektrische Schwingung gleichzeitig beaufschlagt. Dabei sei f1/2 die dem Widerstand R1 zugeteilte Frequenz, f2/2 die dem Widerstand R2 zugeteilte Frequenz usw. so daß allgemein dem Widerstand Rν die Frequenz fy/2 zugeordnet ist. Die Frequenzen fv/2 (ν = 1, 2,....n) werden jeweils von einem Frequenzteiler FTy geliefert, von denen die Frequenzteiler FT1, FT2 und FTn gezeichnet sind. Die Frequenzteiler FTy werden an ihren Eingängen fv gemeinsam durch einen Oszillator beaufschlagt und sind derart ausgelegt, daß sie die jeweils gewünschte Frequenz fr/2 an den jeweils zugeordneten Impedanzwandler IWy abgeben, der sie dann an den jeweils zugeordneten MOS-Widerstand Rvweitergibt. Die Ausgängeder vorgesehenen MOS-Widerstände Ry liegen gemeinsam am Ausgang A.
- Zur Erzielung einer intermodulationsfreien Summenspannung am Ausgang A soll durch externe Schaltungsmaßnahmen die Signalamplitude am Ausgang A klein gehalten werden. Außerdem sollen sich die als MOS-Widerstände realisierten Entkopplungswiderstände Ry nicht in Abhängigkeit von der von dem jeweils zugeordneten Impedanzwandler IWv zur Verfügung gestellten H/L-Spannungen ändern. Eine Änderung des Widerstandswertes der Entkopplungswiderstände ist aber wegen des bekannten Substrateffekts prinzipiell bedingt und durch die üblichen Mittel nicht so ohne weiteres vermeidbar. Daher ist es die Aufgabe der Erfindung, den Einfluß des Substrateffekts auf den Widerstandswert eines aus MOS-Feldeffekttransistoren (oder allgemeiner MIS-Feldeffekttransistoren) bestehenden monolithisch integrierten Widerstandes zu kompensieren. Damit ist aber auch die Aufgabe gelöst, daß der Widerstandswert unabhängig von der Polung der den Widerstand beaufschlagenden Spannung wird.
- Die einen Widerstand gemäß der Erfindung bildenden MOS-Transistoren können, wie aus Fig. 2 ersichtlich, derart hintereinander geschaltet sein, daß das Gate der einzelnen Widerstände t1, t2,......tn (im Beispielsfalle sind sechs Widerstände t1 - t6 gezeichnet) bei jedem der vorgesehenen Transistoren mit derselben stromführenden Elektrode des Transistors ti ( i = Nummer des betreffenden Transistors in der Kette) verbunden ist, so daß je nach Polung der den Widerstand beaufschlagenden Spannung entweder bei allen Transistoren ti das Gate mit der Source oder bei allen Transistoren ti das Gate mit dem Drain verbunden ist. Aufgrund der oben gegebenen Definition der Erfindung sind alle Transistoren entweder als Transistoren vom Anreicherungstyp oder alle Transistoren als Transistoren vom Verarmungstyp ausgebildet.
- Die den Widerstand gemäß der Erfindung bildenden MOS-Feldeffekttransistoren können aber auch in der aus Fig. 3 ersichtlichen Weise geschaltet sein.
- Bei der in Fig. 3 dargestellten Ausgestaltung sind jeweils zwei aufeinanderfolgende Transistoren T1,T2 bzw. T3, T4 bzw. T5,T6 derart zusammengefaßt, daß ihre Gate-elektroden miteinander verbunden und außerdem an die miteinander verbundenen stromführenden Anschlüsse der beiden benachbarten Transistoren gelegt sind, so daß in der einen Richtung des über den Widerstand fließenden Stromes als auch in der anderen Richtung dieses Stromes jeweils die Hälfte der Anzahl der vorgesehenen Transistoren mit ihrem Source-Anschluß und die andere Hälfte mit ihrem DrainAnschluß an das zugehörige Gate gelegt ist.
- Bei einer Realisierung eines Widerstands gemäß der Erfindung gemäß Fig. 2, also einer"seriellen" Realisierung kann zweckmäßig eine fortlaufende Staffelung längs der Transistorkette bezüglich des Wertes von W/L angewedet werden. Diese Möglichkeit ist auch bei der antiseriellen Realisierung gemäß Fig. 3 gegeben. Hier kann man jedoch stattdessen lediglich die paarweise zusammengehörigen Transistoren bezüglich ihrer W/L-Werte so aufeinander abstimmen, daß bereits jedes einzelne Transistorpaar bezüglich seines Widerstandswertes unabhängig von der Stromrichtung wird.
- Hat man nun einen-aus einer Kette hintereinandergeschalteter MOS-Feldeffekttransistoren entsprechend Fig. 2 oder Fig. 3 aufgebauten Widerstand, so muüssen die einzelnen Transistoren bezüglich ihrer W/L-Werte derart aufeinander abgestimmt sein, daß beim Einsatz dieses Widerstandes R in einer Schaltung gemäß Fig. 4 folgende Bedingung
- Um nun die hierfür erforderlichen Bedingungen zu ermitteln, wird auf die in Fig. 2 dargestellte Schaltung des Widerstandes R hingewiesen.
- Für den über den Drainanschluß des einzelnen Transistors ti fließenden Strom JD gelten, je nach Richtung-des Stroms, zwei unterschiedliche Beziehungen, die sich als Sonderfälle aus der bekannten Relation
- Die Schwellspannung UT hängt von der Betriebsrichtung ab, da in. sie u.a. auch der Substrateffekt eingeht. Sie ist also jedem der Transistoren ti individuell zugeordnet und muß von Fall zu Fall ermittelt werden.
- Aufgrund der in Fig. 4 dargestellten Schaltung für den Widerstand R hat man zwei Betriebsarten für die den Widerstand bildenden MOS-Transistoren. Bei der ersten Betriebsart ist UGS = 0, bei der zweiten Betriebsart ist UGS = UDS.
- Betrachtet man nun den ersten Transistor t1 der in Fig.2 gegebenen Realisierung für den Widerstand R, so hat man aufgrund der Beziehung (2) für die erste Betriebsart
- In dem Buch "MOS LSI Design and Application" von Carr und Mize (Ausgabe 1972) ist auf Seite 57 für die Schwellenspannung UT die Beziehung
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- Mittels der zuletzt genannten Beziehungen (7) bzw, (7a) und (7b) kann man aufgrund der an der an der Transistorkette gemäß Fig. 2 bei deren Verwendung als Widerstand R in der Schaltung gemäß Fig. 4 anliegenden Potentiale U1 bzw. U2 bzw. UM die Schwellenspannungen UT(t1;1) und DT(t1;2) für den ersten Transistor t1 der Kette bestimmen und den aus der Beziehung (6) folgenden Wert UDS(t1) für die Source-Drainspannung UDS des ersten Transistors t1 berechnen.
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- Nun ist noch zu berücksichtigen, daß der im Transistor t1 der Kette fließende Strom JD(t1) gleich dem Strom JD(ti) jedes der übrigen Transistoren ti der Kette sein muß.
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- Anstelle der Beziehung (4) für die erste Betriebsart hätte man ersichtlich bei der Ableitung der Beziehung (9) auch die Beziehung (5) für die zweite Betriebsart verwenden können.
- Aus jedem der ermittelten Werte für Bi (i = 1, 2,...) folgt gemäß (3) der jeweils zugehörige Wert von W/L.
- Entsprechend der Nummerierung i der Transistoren ti in der Kette gemäß Fig. 2 sind die jeweils zugehörigen Werte Wi/Li gestaffelt, damit beim Einsatz der Transistorkette als Widerstand R in der Schaltung gemäß Fig. 4 der Strom bei der einen Stellung des Schalters S entgegengesetzt gleich dem Strom in der anderen Stellung des Schalters S wird.
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- Der vorgegebene Strom JD = JD bestimmt zahlenmäßig die die W-Verhältnisse.
- Im Falle einer Schaltung gemäß Fig. 3 genügt es, die beiden jeweils über die Zusammenfassung ihrer Gates definier- ten Transistorpaare T1,T2 bzw. T3,T4 bzw. T5,T6 usw. bezüglich der das betreffende Paar bildenden beiden Transistoren so aufeinander abzustimmen, daß die (W/L)-Werte innerhalb der einzelnen Paare verschieden sind, während die ungeradzahlig nummerierten Transistoren Ti der Kette denselben ersten Wert des Verhältnisses W/L und die geradzahlig nummerierten Transistoren Tidenselben zweiten Wert für das Verhältnis W/L haben. Das Transistorpaar wird dann entsprechend den obigen Darstellungen ermittelt, wobei in den entsprechenden Stromgleichungen die Schaltung der das erste Paar T1 und T2 der Transistoren Ti berücksichtigt werden muß. Dies geschieht unter Verwendung der Beziehungen (4) und (5). Die weiteren Transistorpaare T3,T4 usw. werden ebenfalls entsprechend der obigen Methode bestimmt. Falls nur mit geometrisch gleichen Transistorpaaren gearbeitet werden soll (Schaltung gemäß Fig. 3), müssen die W/L-Verhältnisse analog zu der obigen anhand von Fig. 2 . betrachteten Methode - aber unter Anwendung eines Iterationsverfahrens - sukzessive berechnet werden.
- Die oben beschriebene Kompensationsmethode kann nur exakt auf
- 1) vorgegebene Spannungen (U1-UM) bzw. (UM-U2) und
- 2) auf einen bestimmten Substratsteuerungsfaktor F (vgl. (7b)) erfolgen. Bei Schwankungen des Substratsteuerungsfaktors ist deshalb eine exakte Kompensationsmöglichkeit nicht gegeben.
- 3) Wesentlich für die erfolgreiche Durchführung der Kompensationsmethode ist außerdem, daß die am Aufbau des Widerstandes R bereiligten MOS-Transistorenmit einem gemeinsamen Substratanschluß versehen sind.
- Widerstände R, die aus je einer Transistorkette entsprechend Fig. 2 oder Fig. 3 bestehen, sind zum Einsatz in der in Fig. 1 dargestellten Schaltung vorzüglich geeignet, sobald die (W/L)-Verhältnisse der in der Kette aufeinander folgenden Transistoren derart gestaffelt sind, daß die Wirkung des Substrateffekts auf das Verhalten dieser Widerstände in der beschriebenen Weise kompensiert ist.
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